JP2009529794A - 半導体試料のドーピング密度の算出方法 - Google Patents

Abstract

カンチレバー尖端がショットキー障壁を形成しながら半導体試料との接触状態に入るようになっている原子間力顕微鏡を用いた、半導体試料の表面および/または表面付近の層領域のドーパント密度の算出方法が説明され、前記半導体試料の内部の前記ショットキー領域の空間範囲を決定している空間電荷領域が、その空間範囲に関して起振されるように、前記カンチレバー尖端と前記半導体試料との間の前記ショットキー障壁の領域に交流電位が印加され、その振動が前記カンチレバーに伝達され検出されて、それに基づきドーパント密度が算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡を用いた半導体試料の表面および/または表面付近の層領域のドーパント密度の算出方法に関する。

半導体にドーピングする可能性の一つに、イオン注入法があるが、そこでは原子または分子が電離され、静電場で加速されて、固体内部に打ち込まれるようになっている。イオンの個体内部への侵入深さは、類型的には数keVから数MeVまでであるイオンのエネルギーおよび質量ならびに固体の原子の質量により決まる。たとえば10 keVの燐イオンのシリコン内部への平均到達距離は14nm、1MeVのホウ素イオンのシリコン内部への平均到達距離は1.8μmである。H. Ryssel、I. Rugeの著書: Ionenimplantation、 Teubner、 Stuttgart、 1978から読み取ることができるように、固体のイオン衝撃処理により、固体の電気的および光学的特性、体積変化、固体表面ないしは固体の表面付近の層の機械的応力などの数多くの特性を変化させることができる。このため、固体内部のドーパント分布と、ドーピングにより変化した固体特性との間の関係に関するより優れた知見を得るためにも、ドーピングを実施した後のドーパントの密度を把握することが非常に重要となっている。

たとえば、原子間力顕微鏡検査が導入される、大抵の場合は半導体材料から成る固体中のドーパント密度を決定する一連の技術があるが、これについては、G. Binning、C. F. QuateおよびC. Gerber: Atomic Force Microscopy、Phys. Rev. Lett. 56、pp.930-933 (1986)も参照されたい。そこでは、複数の圧電アクチュエータ素子を使用して、長さが約100μmから500μmまでの一つの小さなカンチレバーが、その尖端により、調査対象である固体試料の表面領域に沿ってラスター走査を行うようになっているが、その際には、レーザ光をカンチレバーの背面に収束させ、そこで反射したレーザ光を一つのフォトダイオードに偏向することで、一つの位置センサによりカンチレバーの撓みが測定されるようにしている。カンチレバーの変形は、レーザ光の反射角の変化をもたらし、それに伴いフォトダイオードで読み取ることができる光電圧も変化するが、この変化を利用して、制御ループにより、ラスター走査の間に試料表面に対して垂直に、すなわちz方向にカンチレバーの撓みが定常にとどまるように、センサまたは試料をトラッキングさせることによって、表面のトポグラフィを画像化できるようにしている。このz電圧は、三刺激値として符号化されて、コンピュータによりトポグラフィ画像として表示されるようになっている。

高い加速電圧を使用した半導体試料のドーピング工程により、試料のこの表面トポグラフィは変化し得る。表面に皺を来たした場合には、従来の原子間力顕微鏡検査技術を利用したトポグラフィのラスター走査により、ドーピング領域を検出することができる。しかし、ドーピング後に形成される空間電荷領域のイオン密度については、この技術により明確に言明するのは困難である。

P. de Wolf、M. Geva、T. Hantschel、W. VandervorstおよびR.B. Bylsmaの論文: Two-dimensional carrier profiling of InP structures using scanning spreading resistance microscopy、Appl. Phys. Lett. 73、pp.2155-2157 (1998)においては、半導体表面の電荷分布を確認するために、導電性を有するカンチレバーの尖端が半導体素子の表面に沿ってラスター走査を行うフォース顕微鏡検査が適用されている。静電力を加えることにより、この尖端は調査対象である半導体素子の中へと押し込まれるようになっている。接触半径は、ヘルツ接触のメカニズムにより与えられるが、類型的には30nmである。カンチレバーには、直流電圧が印加される。その結果として試料を通り流れる電流が、試料の下側で、一つの対数増幅器を利用して、尖端の位置との関係で測定されるようなっている。抵抗については、試料の接触抵抗と固有抵抗の合計として測定される。それによって、表面に沿ったラスター走査により、導電率分布画像を得て、最終的にはウェーハまたは半導体構造のドーピング画像が得られるようにしている。この方法の空間分解能は、感知尖端の接触半径により決まる。この技術は、pn接触界面ならびに光電構造の特性化のために使用され、「走査型広がり抵抗顕微鏡検査法」(SSRM)と呼ばれている。

ドーピングを検証するさらにもう一つの技術は、いわゆる「走査型容量顕微鏡検査法」(SCM)である。この技術では、ドーピングの検証を、一つには尖端とコンポーネント間の金属-半導体接触界面、すなわちショットキー障壁に沿って、行うことができるようになっている、または、電気接触抵抗が十分に大きい値にとどまるように、先端および/または調査対象であるコンポーネントに一つの絶縁層が施されるようにするとよい。この場合は、尖端と表面間の局所的な電気容量が、測定量として利用されるようになっている。電荷分布に起因して、この容量に変化が生じ、それにより画像にコントラストが生じる。この容量は、公知である電気測定技術を用いて算出されるが、これについては、たとえばJ.R. MateyおよびJ. Blanc、Scanning capacitance microscopy、J. Appl. Phys. 57、pp.1437-1444 (1985)を参照されたい。

真空条件下において、いわゆる「ケルビンプローブフォース顕微鏡検査法」(KPFM)を利用した、カンチレバー尖端と試料体表面間の非接触式調査手法については、ロッパッハ他が説明しているが、これについては、C. Loppacher、U. Zerweck、S. Teich、E. Beyreuther、T. Otto、S. GrafstromおよびL.M. Eng: FM demodulated Kelvin probe force microscopy for surface photovoltage tracking、Nanotechnology 16、pp.1-6 (2005)を参照されたい。カンチレバー尖端と試料表面間の静電力の検証だけによって、局所的な表面電位を検出するようにしているが、その際にカンチレバー尖端は、試料表面と機械的に接触することはない。そこではカンチレバーが、カンチレバー尖端と調査対象である試料との間に交流電圧を印加することにより、共鳴振動を生じるようにしている。それに加えてさらに、試料と尖端との間に、静電力が補償されてゼロになるように、直流電圧が印加されるようになっている。印加された直流電圧を記録して、それにより電荷分布に関係した試料の表面電位を得ている。それに加えてさらに、半導電性を示す固体ならびにドーパントのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを持つ光を表面に照射できるようにしており、それにより、空間電荷層の内部に電子-ホール対が形成されて、これらが、仕事関数差に基づき表面付近の領域に移動することによって、表面電位が変化することになるが、この表面電位を、静電力を利用して測定できるようにしている。したがってこの技術により、たとえば拡散距離や再結合率など、表面状態および電荷のモビリティに関する情報を得ることができる。この手法により、尖端と試料間の電場が微小であり、それにより調査される固体の電子バンド構造を実質的に不変とできるという長所がもたらされる。

さらにもう一つのドーピング領域の検証手法は、渦電流技術に磁気力顕微鏡検査法(MFM)を組み合わせたものから成るが、これについてはM.A. Lantz、S.P. JarvisおよびH. Tokumoto: High resolution eddy current microscopy、Appl. Phys. Lett. 78、 pp.383-385 (2001)も参照されたい。磁気を帯びた尖端を持つ振動するカンチレバーが、導電性を示す表面に沿って移動される。カンチレバーの振動により、試料表面には渦電流場が誘導されるが、その漂遊場は尖端に再結合される。カンチレバーの振動振幅の変化から、試料の局所的な導電率に関する情報が得られる。この方法の分解能は、漂遊磁場により決まり、数100nmである。

同様に、フォース顕微鏡の感知尖端により、フォース顕微鏡に固有の高い方位分解能で、超音波を検出することもできるが、これについては、独国公告特許(1次公報)第4324983号明細書からも読み取ることができる。この超音波フォース顕微鏡検査法(超音波原子間力顕微鏡検査法、AFAM)では、試料の下側に、試料内部に縦波または横波を放射して、それにより表面に対して垂直な変位、または表面に対して側方への変位を引き起こすようになっている一つの超音波テストヘッドが配置されている。この超音波トランスデューサは、これに正弦波交流電圧を供給する一つの周波数発生器に接続されている。カンチレバーの尖端が試料表面との接触状態にあるときには、振動が試料からカンチレバーに伝達される。カンチレバーの共振周波数は、尖端に作用する物理的な力に従属する。試料表面と接触したカンチレバーの共振は、試料-カンチレバー系の接触共振と呼ばれるが、これについては、U. Rabe、K. JanserおよびW. Arnold: Vibrations of Free and Surface-Coupled Atomic-Force Microscope Cantilevers - Theory and Experiment、Rev. Sci. Instr.、 67、pp.3281-3293 (1996)も参照されたい。この共振接触を利用して、材料の弾性特性を決定することができる。ドーピングは半導体の弾性挙動に影響を与えるために、これについてもこのAFAM技術により検出が可能である。

本発明は、100nm未満の方位分解能でドーパント密度の検出を可能とする、原子間力顕微鏡を使用した半導体試料の表面および/または表面付近の層領域のドーパント密度の算出方法を提示することを課題として成されたものである。またその際には、必要な測定コストを最小限にとどめるようにする、換言すれば、たとえば上記で説明した容量測定のために必要となるような、測定回路の拡張が回避されることとする。

本発明の課題を解決するための手段は、請求項1に記載される。有利な特徴については、従属請求項の対象であり、実施例に基づく以下の説明の対象から察知することができる。

本発明の解決手段において、原子間力顕微鏡を用いた半導体試料の表面および/または表面付近の層領域のドーパント密度の算出方法は、原子間力顕微鏡のカンチレバー尖端が、ショットキー障壁を形成しながら半導体試料との接触状態に入り、その際にカンチレバー尖端と半導体試料との間のショットキー障壁の領域に、交流電位を印加することによって、半導体試料の内部のショットキー障壁の特徴を成している空間電荷領域が、その空間範囲に関して起振され、それにより半導体の内部のカンチレバー尖端と半導体試料間の接触領域に体積変化が振動により引き起こされ、これがカンチレバーを振動させるが、この振動を検出して、これに基づきドーパント密度を算出することを特徴としている。

出願人側で走査型ショットキー振動顕微鏡検査法(Scanning Schottky Vibration Microscopy: SSVM)と名付けたこの斬新な方法は、接触共振が利用される点、またその際にはカンチレバーの振動が測定される点で、上述の公知である方法とは相違している。そこでは、カンチレバー尖端が金属製であるか、または少なくともこれに金属被覆が施されており、半導体表面との接触状態に入る際には、いわゆるショットキー障壁ないしはショットキー接触界面が形成されるようにしているが、そこでは、半導体と金属のフェルミ準位差に基づいて、半導体内部の電荷担体のところに空乏層として形成される空間電荷領域が得られることになる。このショットキー接触界面の領域に交流電圧が印加されると、空間電荷領域の大きさが交流電圧に従属して変化する、すなわち拡大または縮小される。形成される空間電荷領域の密度変化は、半導体材料の結晶格子の歪みと抱き合わせになっているが、これについても同様に様々な原因が考えられ得る。観察対象である半導体材料が振動により局所的な体積変化を呈する効果に対する今日の理解によると、格子歪みは、金属内部のマイナス電子と、半導体内部の電子空乏領域内のプラスの電荷を持つ原子核間の引力により生じるものと想定される。ドーピング領域の周期性を持つ格子歪みは、その周囲の半導体試料に周期性を示す格子歪みをもたらすほか、同様に半導体のドーピング領域との接触状態にあるカンチレバーについても、これを起振させることができる。カンチレバーに伝達された振動は、カンチレバーの背面で反射されるレーザ光を介して、フォトダイオードにより読み取られて、一つのロックイン増幅器またはその他の適切な増幅器に転送され、最終的に評価ユニットに供給されるが、この評価ユニットは、一つのオシログラフと、振動特性を表わす信号に対してドーパント密度を割り当てるようになっているコンピュータとにより構成されることが好ましい。測定信号の値に対するドーパント密度の値の割り当ては、ドーピング密度が既知である半導体試料を対象として事前に行った適切な基準測定を利用して実行されるようにするとよい。

本発明の解決手段にしたがったドーパント密度の決定方法の決定的な長所は、測定を市販の原子間力顕微鏡装置により実施可能であり、またその際にはカンチレバー尖端と半導体試料間に作用する接触力が1μNをはるかに下回る点、すなわち、たとえば約10μNの接触力が支配的となっているSSRM技術と比べて格段と微小である点にある。したがって、本発明の解決手段にしたがった方法により、調査対象である半導体試料についても、またカンチレバー尖端についても、測定工程の間に、これらを損傷しないように大切に取り扱うことが可能となる。ほかにも、接触力が微小であるために、生じる接触半径が微小となる。本方法の方位分解能は、この接触半径により決まる。このため、本発明の解決手段にしたがったドーパント密度の決定方法は、たとえばSSRM技術よりも高い局所的分解能を有している。

以下では本発明を、発明の普遍的な考え方に制約を加えることなく、図面を参照しながら実施例に基づき具体的に説明する。

図1には、半導体試料3のドーピング領域1、2を、これらがプラスにドーピングされているのか、それともマイナスにドーピングされているのかに応じて検出する実験構成が示されている。それぞれの半導体領域1、2のドーパント密度を調査ないしは算出するための装置は、それ自体としては知られている原子間力顕微鏡配列と変わらないが、そこでは片側を挟持された、大抵の場合は片側で一つのチップ5に接続されている一つのカンチレバー4により、半導体試料3の表面に沿ったラスター走査ないしはスキャンが行われるようになっている。カンチレバー4の自由端には、一つの感知尖端6が備えられ、これが、本発明の解決手段にしたがったドーパント密度の決定方法においては、半導体試料3、特にドーピング領域1、2との接触状態に入るようになっている。大抵の場合はシリコン製である、図2に詳細な断面図を示したこの感知尖端6は、金属性の導電性を示すコーティング7により取り囲まれている。感知尖端6と、たとえば半導体試料3のドーピング領域1との接触により、尖端6と半導体試料3との間にはショットキー障壁が形成され、その電荷担体のところで空乏状態となっている空間電荷領域は、半導体試料3ないしはドーピング領域1の内部に突出している。

ほかにも、それ自体としては知られているように、半導体試料3とカンチレバー4との間に周波数および振幅を予め設定可能な交流電圧(AC)を発生するようになっている一つの波形発生器8が、導電性を示す、または導電性コーティングが施されたカンチレバー4に、カンチレバー4の懸架部、すなわちチップ5を介して接続されているが、この交流電圧(AC)には、必要時には直流電圧成分(DC)を重ね合わせることができるようになっている。

感知尖端6と半導体試料3間に交流電圧が印加されると、半導体試料3の内部に形成されたショットキー障壁の空間電荷領域を成している空間範囲が周期的に変化する。それにより接触領域に位置する半導体表面に空間変形9を来たすが、この変形により感知尖端6も試料表面に対して側方に、しかし特に垂直方向にも振れることが判明している。

半導体試料の内部のこの局所的な体積振動により誘導される結合メカニズムに関する知見の現状によると、金属性の感知尖端とドーピングされた半導体材料間のフェルミ準位差に起因する空間電荷領域の形成は、一方ではフェルミ準位の状況に、他方では半導体のドーピング領域の内部のドーパント密度に従属し、最終的には感知尖端6と半導体試料3ないしはドーピング領域1、2"間に印加される交流電圧にも従属するものと想定される。基本的には、たとえば、いわゆる変形に伴う電位の帯域端の変調、圧電効果、電歪結合効果、ならびに静電結合力の作用など、材料選択に応じて発生する体積格子歪みに対し多少なりとも主だった責任を持つ、多数の異なる結合メカニズムが存在する。今日の理解によると、格子歪みのところの結合は、金属内部のマイナス電子と、半導体内部の電子空乏領域のプラスの電荷を持つ原子核間の引力により行われるものと想定される。

最終的に半導体のドーピング領域の体積振動により引き起こされる結合メカニズムとは関係なく、本発明の解決手段においては、感知尖端6を介してカンチレバー4に伝達される振動を、カンチレバー4の背面で反射されるレーザ光を利用し、一つのフォトダイオード10を使用して検出することにより、振動信号を発生可能であることが判明しているが、この振動信号が、一つのロックイン増幅器11またはその他の適切な増幅器に転送され、引き続いて、大抵の場合は一つのオシログラフ、および/または、相応に処理された振動信号をドーパント密度と相関させるようになっているコンピュータにより構成される一つの評価ユニット12に供給されるようになっている。たとえばロックイン増幅器11から読み取ることができる振動信号の振幅または位相については、これが記録されるようにするとよい。ドーパント密度に対する測定量の割り当ては、その前段階に実施した基準実験を利用して、そこで得たドーパント密度の値を使用して行われるようにするとよい。ドーパント密度の測定の間には、市販のフォース顕微鏡に通常備えられるフィードバックエレクトロニクスにより、表面のトポグラフィが検出されるとともに、カンチレバーの静的支持力が定常に保持されるようになっている。あるいはその代わりに、初回の通過時に表面のトポグラフィだけを測定した後、2回目の通過時に、今では既知となった高さ情報を使用しながら、ドーパント密度を測定するようにしてもよい。ほかにも、ロックイン増幅器11から読み取ることができる振動信号が、波形発生器8にフィードバックされるようにするとよく、それにより試料の調査領域の振動信号のより正確な画像化が可能となる。

特に、カンチレバー4と半導体試料3との間に印加される交流電圧ACの周波数ω/2πが、カンチレバー4の接触共振周波数付近に位置するように選定されると有利である。正にこの周波数ω/2πを有する交流電圧が、カンチレバー4の感知尖端6と、半導体試料3の下側に位置する背面電極との間に印加される場合には、ドーピング領域1ないしは2における感知尖端6と半導体試料3間の空間電荷領域を成している空間範囲が、それと同じ周波数で周期的に変化することになる。カンチレバー4は、その感知尖端6により試料表面との接触状態にあるために、これと同じ周波数ω/2πで起振される。その際にはドーピングされた表面が、カンチレバー4に沿って生じる振動に様々な形で作用するが、これは、一方では接触共振周波数 ω/2πが、他方では起振された振動の振幅および位相が、いずれも局所的なドーピングに従属することからもなおさらである。以上からも、フォトダイオード10により発生される振動信号の信号評価方法については、様々な可能性を生じている。一方では、カンチレバー4の振動の振幅および位相の変化を、場所の関数として、ドーピングの検証に使用することができる。カンチレバー振動の振幅および位相の変化は、異なるドーピング領域における起振方式の違いに起因して直接生じ得るか、または、試料の異なるドーピング領域における接触共振周波数が異なり得ることにより間接的に生じ得るかのいずれかである。他方では、接触共振周波数自体の変化も同様に、ドーピング領域1、2の検証に利用することができる。そのためには、それぞれの場所におけるラスター走査の間に、送信周波数を、予め定義された予想される接触共振周波数前後の狭い周波数域で変化させ、カンチレバーの応答を測定して、この応答の最大値から共振周波数が決定されるようにするとよい、または、カンチレバーの振幅が最大となるように波形発生器8の周波数を連続的に調整する一つの補助的なフィードバックループにより、接触共振周波数が検出されるようにしてもよい。

図3に示される、横座標に沿って、感知尖端6と半導体試料3との間に印加される交流電圧に重ね合わせて印加される直流電圧成分を、縦座標に沿って、その時々に検出された振動振幅をプロットした測定グラフを参照すると、そこから、撓みによる初回の接触時の共振周波数における振動振幅を、印加される直流電圧成分との関係で読み取ることができる。この測定は、ホウ素イオン注入領域が備えられたシリコンウェーハで実施した。直流電圧をまず0Vから+25Vに上昇し、続いて-25Vに低下し、最後に再び0Vに戻した。その際には、感知尖端6と半導体試料との間に印加される交流電圧の振幅も周波数も、定常のままとした。これから明らかであるように、振動振幅は、直流電圧の絶対値に対して線形に増大している。それ以外にも、カンチレバーの振動振幅が、印加される交流電圧の振幅に従属することを確認することができる。この関係については、図4のaおよびbに示されるグラフから読み取ることができる。これらのグラフでも、縦座標に沿ってカンチレバーの振動振幅がプロットされているのに対し、横座標に沿って交流電圧振幅がピーク対ピーク電圧値Vでプロットされている。このケースでは、交流電圧振幅がピーク対ピーク電圧1Vからピーク対ピーク電圧20Vに上昇され、再びピーク対ピーク電圧1Vに低下されている。交流電圧の周波数については、測定の間、定常にとどまっている。直流電圧は、図4のa)では-0.6V、b)では+0.6Vとなっている。

ドーパント密度検出時の高い方位分解能により、ドーピング領域自体とならび、ドーピング時の側方への散乱に帰結させることができる注入流域の境界層についても、検出が可能となる。半導体試料の内部の注入領域と非改質領域との間の振動振幅のコントラストは、注入領域の境界では終端するのではなく、むしろそれを乗り越えてしまっている。これは、表面に垂直に衝突するイオンが結晶内で起こす側方への散乱に帰結させることができる。これに関して、図5にはドーピングされた半導体試料3が断面図で示されているが、その上側には、半導体試料3の内部でドーピング領域を側方に限定するようになっている、一つのドーピングマスク13が載置されている。そこに示されるように、シリコン半導体試料への注入時の、ホウ素B、窒素N、および燐Pの散乱帯域の側方の大きさは、それぞれ異なっている。本発明の解決手段にしたがった方法により、正にこれらの境界層領域についても、ドーパント濃度の正確な検出が可能となる。たとえばドーピング線量が5×1015 BF2イオン/cm²であるときには、約35dBの信号ノイズ比が存在することを実証することができた(図6)。このときの励起電圧は20V、直流電圧成分は-0.6Vであった。これは、イオンの侵入深さが約200nmであるときには、2.5×1020イオン/cm³の密度に相当する。したがって、35dBの信号ノイズ比と、図2および3に示される関係をベースにとった場合は、少なくとも10¹⁸イオン/cm³のドーピングを検証できるはずである。最後にさらに付言するが、ドーピングがそれよりも低密度である場合は、大きく広がっているシッョトキー障壁のために、弾性歪みへの結合が同じ状態にとどまる限り、より大きな信号が発生されることになる。

カンチレバー尖端とドーピングされた半導体試料間のショットキー障壁ないしはショットキー接触界面の形成方法を示す概略図である。 半導体のドーピング領域を検出するための実験構成を示す図である。 振幅の測定結果を示すグラフである。 aは振幅の測定結果を直流電圧のレベル別に示すグラフである。bは振幅の測定結果を直流電圧のレベル別に示すグラフである。 マスキングを施した半導体試料の内部のドーピング密度の等高線を示す図である。 記録されたカンチレバー尖端と半導体試料間の接触共振スペクトルを示す図である。

符号の説明

1、2 ドーピング領域
3 半導体試料
4 カンチレバー
5 チップ
6 感知尖端
7 金属被覆
8 波形発生器
9 体積変化
10 フォトダイオード
11 ロックイン増幅器
12 評価ユニット
13 マスク

Claims (6)

1. カンチレバー尖端がショットキー障壁を形成しながら半導体試料との接触状態に入るようになっている原子間力顕微鏡を用いて、半導体試料の表面および/または表面付近の層領域のドーパント密度を算出する方法であって、前記半導体試料の内部の前記ショットキー障壁の空間範囲を決定付ける空間電荷領域がその空間範囲に関して起振されるように、前記カンチレバー尖端と前記半導体試料間の前記ショットキー障壁の領域に交流電位を印加し、その振動を前記カンチレバーに伝達して検出し、それに基づきドーパント密度を算出することから成る方法。
2. 請求項1に記載の方法において、
   前記カンチレバーと前記半導体試料との間に接触共振ω/2πが生じるように、前記起振を行うことを特徴とする方法。
3. 請求項1または2に記載の方法において、
   前記接触共振周波数ω/2π、前記カンチレバーに伝達された振動の振幅および/または位相に基づきドーパント密度を算出することを特徴とする方法。
4. 請求項3に記載の方法において、
   前記接触共振周波数の変化を検出するための信号フィードバックの過程で、ドーパント密度を算出することを特徴とする方法。
5. 請求項4に記載の方法において、
   前記カンチレバーの振動の振幅および/または位相の変化を検出することにより、ドーパント密度を場所の関数として算出することを特徴とする方法。
6. 請求項1から6のいずれか一項に記載の方法において、
   前記カンチレバーに直流電位を印加することを特徴とする方法。

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